UNIVERSIDAD POLITÉCINA DE VALENCIA
Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática
(DISA)
MÁSTER UNIVERSITARIO EN AUTOMÁTICA E INFORMÁTICA INDUSTRIAL
Diseño, implementación y control de una pinza servo-controlada
para un exoesqueleto
TRABAJO DE FIN DE MÁSTER
AUTOR:
Camacho Muñoz, Jefferson Fernando
TUTOR:
Zotovic, Ranko
VALENCIA - ESPAÑA
Índice general
Índice de figuras iv
Índice de tablas vii
1. ALCANCE DE LA INVESTIGACIÓN 2 1.1. Objetivos . . . 2 1.1.1. Objetivo general . . . 2 1.1.2. Objetivos específicos . . . 2 1.2. Justificación . . . 2 1.3. Metodología . . . 3
2. ESTADO DEL ARTE 6 2.1. Introducción . . . 6
2.2. Robótica . . . 7
2.3. Sistema robótico multimodal . . . 9
2.4. Exoesqueletos . . . 13
2.4.1. Clasificación de los exoesqueletos . . . 15
2.4.1.1. Exoesqueletos No portátiles . . . 15
2.4.1.2. Exoesqueletos Portátiles . . . 16
2.4.2. Aplicaciones de los exoesqueletos robóticos . . . 16
2.4.2.1. Amplificadores de potencia . . . 17
2.4.2.2. Dispositivo para realimentación háptica y de fuerzas . . . 20
2.4.2.3. Rehabilitación y entrenamiento motor . . . 21
2.4.2.4. Estudio e investigación . . . 22
2.4.3. Power Asist suit Kawassaki . . . 23
2.5. Efector Final . . . 25
2.5.1. Herramienta . . . 25
2.5.1.1. Criterios de selección de manipuladores . . . 26
2.5.2. Pinza Robótica . . . 27
ÍNDICE GENERAL
3. MATERIALES Y MÉTODOS 32
3.1. Hardware . . . 32
3.2. Fundamentos para el diseño de la pinza . . . 32
3.2.1. Puntos de contacto . . . 32
3.2.2. Número de dedos a utilizar . . . 33
3.2.3. Fuerza de acuerdo a los puntos de presión . . . 34
3.2.4. Desplazamiento para el agarre . . . 37
3.2.4.1. Área a ocupar . . . 37
3.2.4.2. Máximo de Apertura . . . 37
3.2.4.3. Desgaste Mecánico . . . 38
3.2.4.4. Fuerza Máxima . . . 38
3.2.4.5. Objetos a sujetar . . . 39
3.2.5. Tamaño de los dedos . . . 40
3.3. Diseño de la pinza . . . 40
3.3.1. Cara inferior de la pinza . . . 41
3.3.2. Cara superior de la pinza . . . 42
3.3.3. Componente izquierdo y derecho compuesto por dos dedos cada uno . . . 43
3.3.4. Ejes de rotación . . . 45
3.4. Sensores de Fuerza . . . 46
3.5. Diseño de circuitos electrónicos . . . 49
3.6. Software . . . 50
3.6.1. Arquitectura de programación . . . 51
3.6.1.1. Interfaz USB . . . 53
3.6.1.2. SDRAM . . . 53
3.6.2. Identificación del sistema . . . 54
3.6.2.1. Filtro del sensor de retroalimentación . . . 55
3.6.2.2. Obtener datos . . . 57
3.6.2.3. Calculo de la función de transferencia . . . 58
3.6.2.4. Simulación y validación de las ecuaciones obtenidas . . . 61
3.6.2.5. Diseño de controlador . . . 63
3.6.3. Control . . . 66
3.6.3.1. Control por Velocidad . . . 66
3.6.3.2. Control por Posición . . . 70
ÍNDICE GENERAL 4. FUNCIONAMIENTO Y PRUEBAS 82 4.1. Conexión Tarjeta stm32f4xx . . . 82 4.1.1. GPIO a utilizar . . . 82 4.2. Librerias a utilizar . . . 84 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 88 5.1. Conclusiones . . . 88 5.2. Recomendaciones . . . 90 Bibliografía 91 ANEXOS 94 A. Cotas de la pinza 95 B. Librerías Usadas 99 B.1. USB . . . 99 B.2. ADC . . . 100 B.3. PWM . . . 100 B.4. SDRAM . . . 100 B.5. TIMER . . . 100 B.6. Librerias generales . . . 101
B.7. Librerias creadas para el presente proyecto . . . 101
C. Esquemas para circuito de sensores 102 D. Código desarrollado 104 D.1. main.c . . . 104
D.2. accions.c . . . 111
Índice de figuras
1.1. Etapas de elaboración del proyecto . . . 4
2.1. Crecimiento de la automatización robotizada[3] . . . 7
2.2. Diagrama de bloques del sistema neuromuscular-esquelético humano[30] . . . 10
2.3. Esquema en lazo cerrado del sistema de control[31] . . . 11
2.4. Configuración del exoesqueleto robótico para estudios del movimiento del miembro supe-rior. Izq: Esquema del movimiento; Der: Dispositivo adaptado sobre el miembro superior[30] 12 2.5. Tarjeta Raspberry Pi 3 . . . 13
2.6. Encoder con sensor óptico . . . 13
2.7. Baterías montadas en exoesqueleto[9] . . . 14
2.8. Marcibionics Exoesqueleto mecanismo de movilidad[10] . . . 14
2.9. Marco de exoesqueleto . . . 15
2.10. Clasificación en base a la portabilidad (a) No portátiles, (b) Portátiles . . . 16
2.11. Exoesqueleto HULC[14] . . . 18
2.12. Sistema teleoperado master-esclavo[15] . . . 20
2.13. Interfaz Háptica Cybergrasp[16] . . . 21
2.14. Exoesqueleto para rehabilitación[17] . . . 21
2.15. Diseño biomecánico de una prótesis robótica[20] . . . 22
2.16. Brazo accionado de forma neumática Kawassaki[29] . . . 24
2.17. Esquema de traje Kawassaki[29] . . . 24
2.18. Exoesqueleto desarrollado por la empresa Kawassaki . . . 25
2.19. Efectores finales utilizados frecuentemente . . . 26
2.20. Grados de libertad en una mano humana . . . 28
2.21. Doble pinza basculante[24] . . . 29
2.22. Protesis de manos completas . . . 29
3.1. Formas de objetos posibles[32] . . . 33
3.2. Puntos de aplicación de fuerza . . . 35
3.3. Desplazamientos Angular y Rectilíneo . . . 38
ÍNDICE DE FIGURAS
3.5. Cara inferior de la pinza . . . 42
3.6. Cara superior de la pinza . . . 43
3.7. Componentes Izquierdo o derecho con sus respectivas partes . . . 44
3.8. Unión entre los dedos y los ejes de la cara inferior . . . 45
3.9. Unión entre los dedos y los ejes de la cara superior . . . 45
3.10. Sensor de Fuerza . . . 46
3.11. Divisor de Voltaje [35] . . . 46
3.12. Conjunto de pesas para pruebas de sensor de fuerza . . . 47
3.13. Salida - Peso aplicado Resistor 10 kΩ. . . 48
3.14. Salida - Peso aplicado Resistor 1 kΩ . . . 48
3.15. Salida - Peso aplicado Resistor 2 kΩ . . . 49
3.16. Diseño de placa con entradas y salidas de sensores de fuerza . . . 49
3.17. Esquema inversor de voltaje . . . 50
3.18. Esquema de conexión puente h . . . 50
3.19. Arquitectura de control general . . . 51
3.20. Maquina de estados para control general . . . 52
3.21. Maquina de estados para obtención de datos . . . 52
3.22. Datos Obtenidos sin filtro . . . 54
3.23. Datos Obtenidos con filtrado mediante capacitor electrolítico . . . 55
3.24. Filtro promediador con 30 muestras . . . 56
3.25. Filtro promediador con 50 muestras . . . 57
3.26. Sistema de experimentación con ganancia 3 en el proporcional . . . 58
3.27. Diseño en simulink para el esquema en bucle cerrado . . . 62
3.28. Esquema real y esquema simulado con la función de transferencia obtenida . . . 62
3.29. Esquema en bucle abierto y en bucle cerrado . . . 63
3.30. Comparación en bucle abierto y en bucle cerrado . . . 63
3.31. Diseño del controlador PD Sisotool . . . 64
3.32. Respuesta al impulso mediante Sisotool . . . 64
3.33. Respuestas ante referencia con controlador PD y P . . . 65
3.34. Esquema de control para Velocidad . . . 66
3.35. Esquema de control por estados . . . 67
3.36. Esquema de funcionamiento para Velocidad . . . 67
3.37. Ruido en el sensor del motor para determinar la velocidad del mismo . . . 68
3.38. Desplazamiento constante para determinar la velocidad . . . 69
3.39. Esquema de control para Posición . . . 71
3.40. Esquema de funcionamiento para Posición . . . 72
3.41. Esquema de control PID[38] . . . 73
ÍNDICE DE FIGURAS
3.43. Apertura de la pinza dentro del rango que va de 115 a 145 grados . . . 75
3.44. Esquema de funcionamiento para Fuerza . . . 76
3.45. Esquema de control para Fuerza . . . 77
3.46. Objeto sujetado con una fuerza equivalente al 80 % de la capacidad total de la pinza . . . 78
3.47. Objeto sujetado con una fuerza equivalente al 90 % de la capacidad total de la pinza . . . 79
3.48. Objeto sujetado con una fuerza equivalente al 50 % de la capacidad total de la pinza . . . 80
4.1. Definiciones en Target . . . 84
4.2. Algunas de las librerías utilizadas para el proyecto . . . 84
4.3. Path Discovery . . . 85
4.4. Puerto a usar por la tarjeta Discovery . . . 85
4.5. Posibles acciones a realizar . . . 85
4.6. Forma de ejecutar las diferentes acciones . . . 86
4.7. Ingresando mas de un valor para determinar posición . . . 86
A.1. Medidas Cara inferior de la pinza . . . 96
A.2. Medidas Cara superior de la pinza . . . 97
A.3. Medidas ambos dedos . . . 98
C.1. Placa acondicionada para sensores de fuerza . . . 102
Índice de tablas
2.1. CAUSAS COMUNES DE DEBILIDAD MUSCULAR . . . 19
2.2. HERRAMIENTAS TERMINALES PARA ROBOTS [22] . . . 25
3.1. Acciones a realizar, necesidad y posibilidad de realizarla . . . 39
3.2. Velocidad en diferentes instantes . . . 70
1
ALCANCE DE LA INVESTIGACIÓN
1.1.
Objetivos
1.1.1.
Objetivo general
Diseñar, implementar y controlar una pinza servo-controlada para un exoesqueleto.
1.1.2.
Objetivos específicos
Diseñar una pinza para que pueda ser controlada mediante un servo-motor .
Implementar la pinza en un exoesqueleto el cual ya se ha venido trabajando en diferentes proyectos. Realizar un control de velocidad y posición de acuerdo a los sensores de fuerza que el modelo contiene en su estructura.
1.2.
Justificación
El incremento de la población con disfuncionalidad en sus extremidades superiores o inferiores, en las últimas décadas a ido en aumento, teniendo su origen en la mayoría de casos en accidentes causados por vehículos a motor, la facilidad para adquirir uno y la imprudencia o la impericia del personal humano, y en menor número enfermedades de tipo congénitas.
Con el fin de disminuir la dificultad para realizar tareas de forma cotidiana a personas que han sufrido algún tipo de amputación, o, que padecen de movilidad en sus extremidades, se ha dado paso a que se dedique especial atención a la investigación y desarrollo de prototipos exo-esqueléticos, que sean capaces de facilitar a quien los usa, el desempeño de sus actividades cotidianas, para de esta forma proporcionar al individuo, seguridad, confianza, reincorporarse e independizase en las actividades diarias de la sociedad y de su entorno.
Es por tales motivos que se desarrolla el presente proyecto, demostrando de una manera eficiente, que es posible diseñar implementar y controlar un sistema que permita a quien lo porta; sostener objetos,
1.3 Metodología
manipularlos, y hacer uso de los mismos, sin atrofiar su estructura física con presición y exactitud.
1.3.
Metodología
Para partir con el proyecto se analiza la metodología que se prevé seguir para lograr el correcto fun-cionamiento del dispositivo, la misma que se ha compuesto de tres etapas:
1. La primera etapa comprende el análisis para la creación de prototipo del proyecto a desarrollar, donde se realiza una recolección de información para la ejecución del mismo, recopilando datos tales como: tareas a realizar, peso de los objetos que se pretende manipular, peso máximo que el prototipo podría presentar, dimensiones, etc. Los prototipos serán basados en documentos Técnicos sobre como deberían estar estructurados para evitar fisuras y duración del componente, con estos datos de carácter informativo se definirá los posibles diseños a realizar y las ventajas de utilizar uno u otro en conformidad con los objetivos del proyecto.
2. La segunda etapa se enfoca en el desarrollo del diseño definitivo, para lo cuál se utilizaría la
im-presión 3D1como objeto de validación de los prototipos diseñados en la etapa anterior, si el objeto
diseñado no cumple de forma eficiente con los objetivos para los cuales ha sido creado, se re-diseñara y volverá a imprimir hasta tener un objeto el cual cumpla con los objetivos planteados para el mismo.
Durante esta etapa también se realizará un estudio de los sensores a utilizar, obteniendo los re-sultados necesarios para su acondicionamiento, diseño de esquemas electrónicos y fabricación de la placa electrónica que se encargará de la manipulación de los mismos.
Con el diseño definitivo de la pinza y la adecuación de los sensores para su control, se procede a su montaje dentro de un entorno enfocado únicamente al funcionamiento de la pinza sin considerar aún el resto del exo-esqueleto.
3. La tercera etapa está enfocada al control y pruebas de funcionamiento las cuales han sido prepa-radas en la etapa anterior, documentar conclusiones y recomendaciones como resultado de varias pruebas efectuadas, con los sistemas en perfecto funcionamiento, cubriendo de esta forma cada uno de los objetivos propuestos.
La metodología a seguir en el proyecto se resume en la figura 1.1.
1.3 Metodología
2
ESTADO DEL ARTE
2.1.
Introducción
Son varios siglos que han transcurrido desde el diseño, planificación y puesta en marcha del primer aparato mecánico, Arquitas de Tarento, en cuyo honor se nombro al cráter Arquitas en la Luna, construyo un ave mecánica que funcionaba a vapor a quien llamo "La paloma", considerado el padre de la ingeniería
mecánica y uno de los maestros clásicos de la robótica occidental o "Herón de Alejandría1"quien creó
varios dispositivos automáticos(Autómatas2) los cuales estaban dispuestos para que los usuarios
pudie-sen modificarlos, Hsieh-Fec, Al-Jazari, Roger Bacon, Juanelo Turriano, Leonardo da Vinci, Vaucanson o von Kempelen construyeron robots en la edad media, el renacimiento y el clasicismo, En el año de 1942 Asimov publica las tres leyes de la robótica con lo que da inicio a la robótica moderna, El desarrollo de robots en los campos bélicos, industrial y aeroespacial durante el sigo XX permite la aparición de robots
con gran precisión útiles en cirugía como el robot quirúrgico "da Vinci3"[1].
El término robot fue utilizado por primera vez por Karel Capek en su obra de teatro denominada "Los robots universales de Rosumm", robot viene del vocablo checo robota"que significa "trabajo", en el sentido de la obligatoriedad entendido para la servidumbre como trabajo forzado o para los esclavos, en este mismo concepto amo-esclavo, se basan los diseños actuales de robots, Años mas tarde la obra se
adapto para la película denomida "Metropolis4", quedando acentuado el término que definiría a este tipo
de máquinas.
Sin quedarse estancado el avance de la tecnología durante el siglo XVIII se dieron avances en el terreno industrial, como la máquina de vapor de Thomas Newcomen, perfeccionada después por Humphrey Pot-ter que introdujo un novedoso concepto, la retroalimentación y por James Watt. En 1801 Joseph Marie Jacquard, un empresario textil, realiza una aportación fundamental a la robótica al diseñar un sistema de funcionamiento automático de los telares, programando sus movimientos. Se trata de un cartón
mul-1
http://scielo.isciii.es/pdf/aue/v31n2/original1.pdf
2http://historiautomatas.blogspot.com.es/2010/06/grecia-arquitas-de-tarento.html 3http://www.palexmedical.com/es/specialty.cfm?id=robotica-da-vinci
2.2 Robótica
tiperforado que permite tipificar algunas tareas y repetirlas de forma idéntica[1].
Tras constantes he importantes avances en la robótica se emprendió también en el diseño, control e implementación de exo-esqueletos de apoyo a las tareas realizadas por los humanos, dando un nuevo y amplio campo de investigación, apoyo y uso a la robótica.
2.2.
Robótica
Robot formalmente se les denomina a las máquinas automáticas programables capaces de realizar de-terminadas operaciones de manera autónoma y remplezar a los humanos de manera preferente en tareas pesadas, peligrosas, repetitivas o de acuerdo como lo define RIA(Robot Industries Asociaton) "Manipula-dor funcional reprogramable, capaz de mover material, piezas, herramientas o dispositivos especializados mediante movimientos variables programados, con el fin de realizar tareas diversas[2]".
Los Robots han tenido en los últimos años un considerable incremento de intervención en las activi-dades humanas, ya sea por su eficiencia, precisión o reducción de costos en torno a la mano de obra, su mayor intervención se encuentra en la industria ya que podría trabajar las 24 horas durante todo el año y sin lugar a duda aumentaría la producción a mas bajo coste, lo cual ha hecho que la gran mayoría de industrias opte por estas tecnologías en los últimos años, tal como lo muestra la encuesta desarrollada por Rankia en su publicación denominada <El futuro de la automatización robotizada>, dándonos a conocer el suministro anual de robots industriales por región entre los años 2009 y 2013 tal como se muestra en la figura 2.1.
Figura 2.1:Crecimiento de la automatización robotizada[3]
Cada día es más evidente la inmersión de los mecanismos autónomos en trabajo conjunto con los seres humanos, lo cual lleva a una mayor atención en la inversión, investigaciones y exigencias de los mecanismos desarrollados y a desarrollarse, al mismo tiempo que ha ido creciendo la industria y la sociedad han aumentado los campos de investigación sobre ellos llegando a diferentes ramas como son:
2.2 Robótica Trasporte y automoción Medioambiental Misiones de rescate Vigilancia y seguridad Militar Tareas domésticas Entretenimiento y ocio Agricultura y ganadería Educación e información Asistencia y cuidado ancianos Construcción Quirúrgica Rehabilitación Exoesqueletos y prótesis Arte y patrimonio Submarina
Existen aspectos de los mencionados anteriormente en los cuales ya se han desarrollado importantes avances en referencia a la tecnología que los precede como en el campo de la agricultura y ganadería cuyo principio fundamental de funcionamiento se basa en el reconocimiento del cultivo mediante imágenes que son procesadas y a su vez envían órdenes precisas en cuanto a las tareas a realizar, con alguna planta del cultivo, En la actualidad, existen pequeños robots que realizan tareas de búsqueda y transmisión de información sobre un determinado terreno de una forma totalmente nueva en el sector agrícola, aunque a futuro se prevé el uso de drones para realizar un recorrido más extendido y más rápido de un determi-nado entorno[4], estos equipos correspondientes al área aérea y espacial han ido evolucionando en cuanto a alcance, tiempo de vuelo, transmisión de datos y manipulación de los mismos se refiere.
También existen importantes avances en la construcción ya que la aplicación de un sistema de au-tomatización en la construcción incrementa la productividad y la calidad de una determinada obra, de concretarse los proyectos en marcha se pretende reducir el tiempo de construcción en un 70 %, De esta manera, se garantiza un trabajo más eficiente, así como un incremento de calidad y con prestaciones de las edificaciones acorde con las necesidades de la sociedad actual, Santiago Martínez de la Casa de la
2.3 Sistema robótico multimodal
Universidad Carlos III de Madrid dice: que el estudio se centra en la introducción de robots industriales comerciales en el entorno de la construcción, favoreciendo el ensamblaje de múltiples productos y que pueden ser transportado de obra en obra[5].
Se podría tambien hablar del campo submarinos cuyos vehículos son aquellos no tripulados sumergi-bles que pueden ser controlados desde la superficie, pueden ser altamente maniobrasumergi-bles y al menos, llevan una cámara de video y luces. Se selecciona el tipo de robot a usar dependiendo del entorno u objetivo, pueden llevar diferentes accesorios tales como: sonares, brazos manipuladores y sensores de variados tipos. Actualmente hay varias empresas que se dedican a la investigación y desarrollo de este tipo de robots ya que muchos científicos u empresas los utilizan para llevar a cabo sus investigaciones marítimas[6].
Sin duda existen varios avances en todos las líneas de investigación mencionadas en el presente docu-mento pudiendo ser una de las ramas que cuenta con mayor inversión y a la que se le atribuyen grandes avances y la línea militar, los robots militares se remontan a la Segunda Guerra Mundial y la Guerra Fría en la forma de Alemania minas Goliat y la Unión Soviética teletanks, El MQ-1 Predator drone fue cuando agentes de la CIA vieron los beneficios prácticos por primera vez en la fantasía de lo que en ese entonces era, la utilización de robots aéreos para recabar información de inteligencia, no obstante existe quienes creen que el futuro de la guerra moderna se peleará por los sistemas de armas
automáti-cos1, Es por tal motivo que potencias mundiales invierten grandes cifras en su investigación y desarrollo[7].
Parte de estas investigaciones no solo abarcan el desarrollo de armamento bélico, también se investiga la posibilidad de usando estructuras mecánicas controladas, se pueda proveer al ser humano de capacida-des de fuerza, precisión, etc, que de otra manera seria imposible adquirirlas, ha estos aparatos mecánicos se les denomina exo-esqueletos, misma denominación que forma parte de una de las líneas de investigación mencionadas anteriormente.
Conscientes del potencial que pudiesen aportar los exo-esqueletos, se ha extendido su línea de inves-tigación para dotar a personas que han sido despojadas de movilidad en sus extremidades o por ausencia de ellas, ha pernoctar en sus capacidades para investigar sobre la forma en como sustituirlas, para que el individuo que las posee se reintegre a sus actividades diarias de forma fiable y con la seguridad que solo sus extremidades naturales le fueron capaces de dar un día.
2.3.
Sistema robótico multimodal
El trabajo de investigación denominado "Sistema Robótico Multimodal para Análisis y Estudios en Biomecánica, Movimiento Humano y Control Neuromotor"desarrollado por <Andrés Felipe Ruíz
Ola-ya>, en la Universidad Carlos III de Madrid2, es orientada a: diseñar, implementar y evaluar un sistema,
1https://en.wikipedia.org/wiki/Military_robot 2http://www.uc3m.es/Inicio
2.3 Sistema robótico multimodal
compuesto por un exoesqueleto robótico de miembro superior y módulos independientes, que al actuar en conjunto dan una solución multimodal dentro del estudio neuromotor humano, desarrollando tanto el exoesqueleto como diversas herramientas, han sido integradas en un sistema común en esquema multi-modal, siendo objeto de estudio la articulación del codo se ha determinado la viabilidad de estimar la impedancia mecánica a partir de la activación de los musculos asociados al movimiento de dicha articu-lación, específicamente bíceps y tríceps braquial.
Desde este punto de vista y en referencia al movimiento humano, existen diversos subsistemas que componen el sistema principal el cual enlaza una señal generada en el sistema nervioso central a un evento de movimiento humano. Teniendo como base que uno de los desafíos que afrontan los investigadores en neurociencia, involucrados en el análisis del movimiento humano, es entender que eventos o secuencia de los mismo, conecta la actividad neuronal a la contracción muscular, producto de lo cual se genera el movimiento humano y la interrelación entre los distintos subsistemas que componen el sistema motor humano para lo cual se plantea el esquema mostrado en la figura 2.2, con el fin de comprender su funcionamiento[30].
2.3 Sistema robótico multimodal
De forma sencilla se puede simplificar el esquema en una entrada producto de un estímulo neurológico produciendo una salida traducida como una activación muscular, desde el punto de vista técnico al cual se
acogen otros autores se vería como el esquema de la figura 2.3, en el cualTF F corresponde a la estimación
del bloque predictivo o feed foward y el y TF B corresponde al componente de realimentación feedback,
resultando las propiedades elásticas del músculo[31].
Este esquema de control compuesto por una serie de bloques anticipativos o predictivos y diversos lazos de realimentación o feedback. Desde la perspectiva de la ingeniería de control, a un sistema de control se le aplica una perturbación externa y se lo cataloga al mismo mediante la observación de los cambios en su dinámica. De esta forma, se podría decir que para las investigaciones del movimiento humano y control neuromotor existen escenarios en los cuales es necesario adquirir y registrar la actividad eléctrica del sujeto, en sincronía con las mediciones cinemáticas y dinámicas producidas por el movimiento humano para modelar diversos aspectos del sistema de control[31].
Figura 2.3:Esquema en lazo cerrado del sistema de control[31]
Con base en los puntos anteriores se desarrollo en primera instancia, un dispositivo robótico el cual fuese capaz de aplicar diferentes pares definidos sobre el movimiento voluntario del sujeto, usando sopor-tes para el exoesqueleto los cuales proporcionen una transmisión efectiva de la carga sobre el miembro superior, para lo cual se ha usado materiales termo-plásticos como elementos de sujeción esta etapa con-cluida se muestra en la figura 2.4.
Este dispositivo ha sido diseñado tomando en consideración que se debe mantener un rango de mo-vimientos en un espacio seguro para quien lo porta, ajustando su cinemática al miembro superior y restringiendo el rango de movimientos, a uno menor que el perteneciente al mismo miembro en cada una de sus articulaciones, se ha considerado también que el uso del dispositivo no altere a gran escala los patrones fisiológicos de la persona, ya que los movimientos del dispositivo dependen del umbral de presión de estos, limitando de esta manera los pares máximos a ser aplicados por el dispositivo robótico en las articulaciones y sus zonas de aplicación.
2.3 Sistema robótico multimodal
Figura 2.4: Configuración del exoesqueleto robótico para estudios del movimiento del miembro superior. Izq: Esquema del movimiento; Der: Dispositivo adaptado sobre el miembro superior[30]
El dispositivo robótico diseñado anteriormente sirve como dispositivo de medida y actuación otros
elementos como la herramienta de adquisición de EMG1, permiten registrar otras variables de interés
asociadas a la actividad bioeléctrica, ya que cuenta con una arquitectura de control abierta, permite
ejecutar en tiempo real algoritmos de control desarrollados en MATLAB2, siendo posible la validación
del hardware y adquisición de señales del mismo.
La experimentación del dispositivo en un entorno controlado a permitido comparar y validar pares generados y aplicados por el exoesqueleto, siendo posible la configuración de una serie de condiciones de operatividad sobre seguimiento de perfiles de fuerza, reproduciendo varios entornos dinámicos y generan-do perturbaciones mecánicas.
De este modo y mediante las aportaciones descritas anteriormente investigación llevada a cabo por Felipe Ruíz, deja constancia de tres componentes detalladas como lo son: científica, tecnológica y experi-mental en sujetos reales, cuya componente tecnológica se mostró en la figura 2.4, la componente científica implicada en el modelado de la dinámica del codo conjuntamente con esta información y la información EMG de los musculos asociados a dicha articulación. desarrollando de esta forma un sistema robótico para realizar estudios experimentales del sistema neuromotor humano.
Este proyecto ha dejado abiertas nuevas líneas de investigación tales como: Estudio del movimiento humano (al nivel del miembro superior) bajo cargas externas, ampliando su utilización a otras articu-laciones como la muñeca. Configuración de experimentos que involucren no solo control postural sino también control del movimiento, etc. Estas líneas propuestas entre otras son de las cuales ha partido el presente proyecto.
1http://www.aboutkidshealth.ca/En/HealthAZ/Multilingual/ES/Pages/electromyography-emg.aspx 2http://es.mathworks.com/products/matlab/
2.4 Exoesqueletos
2.4.
Exoesqueletos
El exoesqueleto no es mas que un aparato mecánico el cual sostiene al cuerpo desde afuera, a diferen-cia del esqueleto que lo conforman los huesos, el cual sostiene al cuerpo desde adentro; son usualmente diseñados para aumentar las capacidades de las personas como su fuerza, movilidad, resistencia o para ejercer actividades físicas que sin ellos les fuese imposibles.
Los exoesqueletos pueden estar compuestos de varios componentes como:
Controlador:Parte del equipo de la electrónica del dispositivo, actuará como el cerebro del mismo tomando lecturas proporcionadas por los sensores y tomando como referencia las mismas decidir que acciones deben ejecutar los actuadores, si la lógica y la medición de las mismas es correctas permitirá al usuario pararse, caminar, levantar objetos u otras actividades para las cuales halla sido programado, un posible controlador podría ser la tarjeta Raspberry que se muestra en la figura 2.5
Figura 2.5:Tarjeta Raspberry Pi 3
Sensores:Ya sean de fuerza, visión, distancia u otras variables que se deseen, obtendrán la infor-mación del entorno en que se ejecuta su lectura, para posteriormente ser transmitido al controlador, uno de estos sensores podría ser el encoder el cual conjuntamente con un sensor óptico, figura 2.6, entregan la información correspondiente al número de vueltas de un motor eléctrico.
2.4 Exoesqueletos
Baterías:Teniendo como función principal el movimiento del exoesqueleto, deben ser capaces de portar la energía suficiente para su movimiento y energizar los componentes eléctricos o electró-nicos que pueda contener, estas deben recargarse rápidamente y no pesar demasiado para que el exoesqueleto no sea voluptuoso o demasiado pesado como es el caso de la figura 2.7.
Figura 2.7:Baterías montadas en exoesqueleto[9]
Actuadores:Son los que se encargarán de los movimientos del exoesqueleto siendo usualmente de tipo eléctrico o hidráulico, estos ejecutan sus movimientos usando la energía enviada por las baterías y la información transmitida por el controlador, llevando el exoesqueleto a posiciones precisas y sin demasiado esfuerzo para la persona que los usa este tipo de dispositivos podrían lucir como el de
Marcibionics1 que se muestra en la figura 2.8.
Figura 2.8:Marcibionics Exoesqueleto mecanismo de movilidad[10]
Marco:El marco debe de ser de un material ligero y resistente como se muestra en la figura 2.9, ya que va a soportar no solo el peso de los objetos que vaya a levantar sino también el peso del sujeto que lo utilice, no debe suponer mayor esfuerzo y debe ser seguro para quien lo porte a fin de que no se lastime o sufra algún accidente relacionado con el uso del exoesqueleto[8].
2.4 Exoesqueletos
Figura 2.9:Marco de exoesqueleto
A diferencia de las estructuras que comprende el diseño de un exoesqueleto completo, existen también exoesqueletos diseñados para partes específicas del cuerpo ya sea un brazo una pierna o la mano, siendo estas usadas por quienes carecen de la extremidad o porque han perdido la movilidad del mismo, estos diseños aparte de las exigencias de potabilidad, también es necesario que sean precisos, ya que interactua-rán de manera directa con su portador y con el entorno que los rodea, cumpliendo tareas sencillas para el cuerpo humano pero de mayor complejidad para una extremidad robótica; como es el caso de levantar un recipiente que contenga líquido y verterlo en otro, su complejidad es mayor ya que quien lo manipula se limita a su necesidad y la extremidad robótica mediante sus diferentes sensores, debe interactuar no solo con el entorno sino también con las decisiones de la persona que lo porta, este ámbito es el que se encuentra actualmente en fase de estudio aunque ya se han tenido grandes avances.
2.4.1.
Clasificación de los exoesqueletos
Los exoesqueletos se pueden clasificar en funcion de los actuadores utilizados(neumático, eléctrico o hidráulico), cadena cinemática, tipo de control, o aplicación, los diseños actuales en su mayoría se basan en interfaces sujetas a una base externa, pudiendo ser clasificados como portátiles o no portátiles, esta ultima clasificación se la puede apreciar en la figura 2.10.
2.4.1.1. Exoesqueletos No portátiles
A diferencia de los portátiles estos se encuentran anclados a una base fija, pudiendo ser esta el suelo, la pared o el techo, ya que el peso no recae en el usuario, este tipo de exoesqueletos suele ser mucho mas pesado y a su vez más complejas, ya que pueden contar con mayor número de actuadores o instrumentos capaces de generar un torque mayor debido a la robustez de su estructura, siendo uno de los puntos mas considerados la seguridad que puedan ofrecer los mismos (véase figura 2.10 a).
2.4 Exoesqueletos
Ya que no están restringidos en peso o volumen se puede utilizar cualquier dispositivo sobre los mismos, inclusive transmisiones mecánicas como cables o poleas, siendo posible el uso de herramientas tradicionales para las diferentes transmisiones de fuerza[11].
2.4.1.2. Exoesqueletos Portátiles
Es un dispositivo mediante el cual el usuario tiene que ser quien soporte el peso del exoesqueleto o un dispositivo móvil como una silla de ruedas que se mueva conjuntamente con el sujeto, de esta forma los puntos de presión o fuerza son ejercidos sobre el usuario en los puntos de sujeción (véase figura 2.10 b).
Ya que existen restricciones de peso, se inhibe el uso de un gran numero de actuadores, pero tam-bién se reduce la cantidad de grados de libertad para poder ejercer fuerzas de forma apropiada sobre los miembros del sujeto, es por tal motivo que los exoesqueletos portátiles requieren especial atención en el número de grados de libertad[11]..
Este tipo de características en particular obliga a quien lo diseñe a crearlo con menos peso y volumen, evitando de esta manera la fatiga muscular, por ende sus actuadores deben corresponderse en potencia y peso o potencia y volumen para que puedan ser usados en este tipo de interfaces, siendo clasificados también en dos grupos exoesqueletos para el brazo o para la mano.
Figura 2.10: Clasificación en base a la portabilidad (a) No portátiles, (b) Portátiles
2.4.2.
Aplicaciones de los exoesqueletos robóticos
Aunque los exoesqueletos han sido utilizados en diferentes aplicaciones. En forma de concepto estos sistemas se pueden utilizar en las siguientes aplicaciones.
Amplificadores de potencia.
2.4 Exoesqueletos
Dispositivo para re-alimentación háptica y de fuerzas
• Dispositivos de un sistema de teleoperación maestro/esclavo.
• Dispositivos hápticos.
Rehabilitación y entrenamiento motor. Estudio e investigación.
• Biomecánica.
• Neurofisiología y control motor.
• Trastornos de movimiento.
2.4.2.1. Amplificadores de potencia
Como su nombre lo indica, son capaces de amplificar la capacidad física del sujeto que lo porta, aun-que también puede ser usado por personas aun-que hayan sufrido algún tipo de accidente el cual limite sus capacidades físicas o motoras[13].
Un estudio llevado a cabo por la Universidad de Pamplona1 acerca de las Órtesis2 activas, establece
los exoesqueletos son de gran ayuda durante la terapia ya que permiten interactuar directamente con el humano emulando sus movimientos, esto se debe a que lo conforma un mecanismo cuya estructura esta acoplado externamente y sus juntas y eslabones corresponden a las partes del cuerpo humano que simula, el contacto entre estos sistemas y el cuerpo humano permite la transferencia de potencia mecánica y señales de información[12].
Cuando funcionan como amplificadores de potencia, el usuario transmite señales al exoesqueleto, ya sea mediante estímulos a sensores de diferente tipo o por tareas que fuesen pre-definidas teniendo como fin una determinada tarea, el usuario que utiliza este sistema puede desarrollar pesadas tareas de índole físico con el mínimo esfuerzo.
Un ejemplo notable en el desarrollo de este tipo de exoesqueletos es el desarrollado por los EE:UU para sus soldados el denominado HULC.
Exoesqueleto HULC: El Human Universal Load Carrier (HULC) o portador de carga universal humano es como la empresa "Lokheed Martin"denominó al exoesqueleto desarrollado para las fuerzas militares de los EE:UU, en una serie de pruebas en conjunto con Natick Soldier Research Development and Engineering Center(NSRDEC) el potencial de los exoesqueletos para aliviar el esfuerzo y la fatiga de
1
http://www.unipamplona.edu.co/
2.4 Exoesqueletos
los soldados al desplazarse con cargas demasiado pesadas que debían ser trasladadas a grandes distancias.
El personal militar a menudo lleva cargas pesadas de combate que aumenta el estrés en el cuerpo lo cual conduce a inevitables lesiones, con el exoesqueleto denominado HULC se pretende transferir el peso de estas cargas al suelo a través del exoesqueleto con piernas de titanio sin perdida de movilidad[14].
Es un exoesqueleto que tiene forma humana y su accionamiento es de tipo hidráulico, proporcionando al usuario la posibilidad de llevar cargas de hasta 200 libras por períodos prolongados de tiempo sin importar por el terreno que se desplace, es muy flexible permitiendo al usuario realizar distintas posiciones corporales sin verse afectado por el uso del mismo como se aprecia en la figura 2.11.
Figura 2.11: Exoesqueleto HULC[14]
Cuenta con micro-ordenador el cual garantiza que el exo-esqueleto se mueva en concordancia con quien lo porta, sus componentes pueden ser reemplazados fuera de entornos controlados y su batería de larga duración permite el uso del dispositivo durante varias horas sin verse afectado su funcionamiento, si el sistema llegase a quedar sin energía suministrada por la batería es capaz de soportar una carga máxima prescindiendo de la misma.
El personal de investigación del Natick Soldier Center se encuentran evaluando también como el fun-cionamiento de HULC afecta el desempeño de los soldados. Además, las pruebas biomecánicas serán capaces de medir la energía gastada por un soldado cuando utiliza el exoesqueleto HULC y las pruebas desarrolladas evaluarán la facilidad en que sus usuarios aprenden a utilizar este sistema, realizando varias cargas y moviéndose a diferentes velocidades por diferentes terrenos.
Aunque la empresa Lokhed Martin a dedicado sus investigaciones al desarrollo de exoesqueletos para el campo militar, esta también dedicando parte de las mismas al uso de exoesqueletos en el campo
2.4 Exoesqueletos
industrial[14].
Asistencia y compensación funcional
Quienes padecen de problemas neuromusculares pueden perder con el tiempo la capacidad de realizar actividades cotidianas con sus extremidades superiores, esto se debe a la pérdida de masa muscular o debilidad de la misma, este tipo de padecimientos pueden ser causados por varias enfermedades como distrofia muscular, atrofia muscular espinal, lesiones en la médula espinal, y ciertos niveles de atrofias producidas a edades avanzadas del paciente, en la tabla 2.1 se resumen algunas de las enfermedades que causan afectaciones en el sistema muscular de los seres humanos produciendoles perdida parcial o total de la movilidad de las extremidades [11].
Enfermedades
Apoplejía
Lesión de la médula espinal Lesión nerviosa periférica Esclerosis lateral amiotrófica Distrófia muscular
Osteorartritis, artritis reumatoidea Terapia prolongada con corticosteroides Diabetes
Miopatía
Neuropatía del enfermo crítico Poliemielitis
Intoxicación por arsénico Miastenia gravis
Miotonía congénita
Nervio periférico y raíces nerviosas Inmovilización prolongada
Sindrome de Guillain-Barre
Tabla 2.1:CAUSAS COMUNES DE DEBILIDAD MUSCULAR
Los robots para la asistencia a humanos ha sido considerado por muchas empresas como ente im-portante de investigación sobre todo en aquellos países donde la tasa de envejecimiento de la población es alto y es necesaria la atención de la misma y también la asistencia adecuada y precisa en personas discapacitadas.
Uno de los puntos mas importantes para poder el sistema asistir en las funciones motoras es la información o señales de control, ya que la misma debe reflejar las intenciones o acciones voluntarias del usuario, siendo algunas de las formas de entregar esta información las: mediciones de movimientos, fuerzas de interacción con el dispositivo, activación muscular o actividad cerebral[30].
2.4 Exoesqueletos
2.4.2.2. Dispositivo para realimentación háptica y de fuerzas Dispositivos de un sistema de teleoperación maestro/esclavo
Comprendida como el conjunto de tecnologías, la teleoperación permite al operador realizar remota-mente diferentes tareas, ya sea porque estas conllevan riesgo para el operador o el acceso para el mismo no es posible [15].
Figura 2.12: Sistema teleoperado master-esclavo[15]
La interacción de fuerzas en el dispositivo que hace de maestro (véase figura 2.12 b), se transmiten a la parte esclava (véase figura 2.12 a), a través de un canal de comunicación retardada, la posición y la fuerza ejercidas por el maestro y el esclavo son iguales, Una vídeo dirigido desde el entorno del esclavo proporciona una percepción visual de las interacciones entre el esclavo y el medio ambiente para el opera-dor, y está deliberadamente diseñado para sufrir el mismo retardo de los canales de comunicación como la regeneración de la fuerza.
También se utiliza exoesqueletos como sistemas teleoperados donde el operador utiliza el exoesqueleto y los movimientos realizados por el mismo son reproducidos en un esclavo, pudiendo ser este únicamente un brazo, Las fuerzas aplicadas sobre un brazo robótico por el entorno son reflejadas al maestro y aplicadas por los actuadores del exoesqueleto en el brazo del operador.
Dispositivos hápticos
Una interfáz háptica es aquella que permite manipular objetos en interfaces virtuales o simuladas, en este contexto el termino háptico se refiere a los exoesqueletos capaces de proporcionar re-alimentación de fuerza o tacto al operador, de esta forma, un objeto en un entorno simulado puede ser explorado o palpado por el operador, mientras la estructura exoesquelética y sus actuadores proporcionan fuerza de realimentación, emulando objetos reales tanto en sus propiedades mecánicas como de textura (véase figura 2.13).
2.4 Exoesqueletos
Figura 2.13: Interfaz Háptica Cybergrasp[16]
2.4.2.3. Rehabilitación y entrenamiento motor
En neuro-rehabilitación existen diversas terapias para los pacientes que tienen las extremidades su-periores paralizadas a causa de lesiones del sistema nervioso, central o periférico, el objetivo de estas terapias es recuperar la función motora de los pacientes, mejorar la coordinación de los movimientos, o prevenir lesiones secundarias.
Siendo las técnicas de rehabilitación en su mayoría mecánicas y repetitivas se pretende reiniciar el proceso de re-aprendizaje interno del sistema nervioso, uno de los mecanismos exoesqueleticos para ayudar
con este proceso es el "Lokomat1", el cual se ha establecido como una intervención efectiva para mejorar
la función de caminar sobre el suelo en pacientes con fallos neurológicos en todo el mundo mostrando resultados positivos y mejoras funcionales.[17] (vease figura 2.14)".
Figura 2.14: Exoesqueleto para rehabilitación[17]
2.4 Exoesqueletos
Si se considera que el proceso de rehabilitación podría ser una rutina repetitiva de carácter mecánico, las aplicaciones robóticas podrían ayudar en este tipo de procesos. Diversas investigaciones han demos-trado diferentes resultados y beneficios en terápias de neuro-rehabilitación usando plataformas robóticas, evaluando la rehabilitación en pacientes principalmente con apoplejía mediante el uso de dispositivos robóticos como exoesqueletos[18] [19].
2.4.2.4. Estudio e investigación Biomecánica
Ya que los exoesqueletos en sí, son diseñados para emular los movimientos humanos o ayudar a los mismos a desarrollar actividades de mayor exigencia física, debe ser antropomórfico y ergonómico, tanto en forma como en función, por tales motivos es necesario conocer la biomecánica del cuerpo y sus cambios ante las diferentes actividades que se valla a realizar ya sea caminar, correr levantar carga o cualquier actividad que involucre esfuerzo para el ser humano.
Esto puede ser observado al momento de colocar un actuador, ya que el mismo se debe colocar en la misma posición que corresponde a la de los humanos, siendo su objetivo principal simular el movimiento de los músculos durante su actuación, esto se ejemplifica en la figura 2.15 donde se trata de compensar mediante actuadores los esfuerzos en los músculos de la pierna.
Figura 2.15: Diseño biomecánico de una prótesis robótica[20]
Neurofisiología y control motor
Las diferentes investigaciones llevadas a cabo para recuperar capacidades neuro-motoras de un ser hu-mano se están empezando a realizar mediante exoesqueletos los cuales pueden aplicar fuerza, o provocar estímulos al cuerpo humano.
2.4 Exoesqueletos
Este es el caso de «Ekso Bionics1», el cual cuenta con un motor eléctrico, batería recargable, y varios
sensores que permiten a un discapacitado ponerse en pie y andar, la diferencia entre este exoesqueleto y los anteriormente mostrados es que no esta diseñado para portar cosas o realizar recorridos su programa-ción y diseño están orientados únicamente a la rehabilitaprograma-ción del individuo.
Un terapeuta aplica dos modos principales de rehabilitación: ejercicios pasivos y con asistencia activa. En el primero el tratamiento mueve el brazo mediante movimientos específicos evitando que el paciente realice fuerza alguna, en el segundo modo de rehabilitación el paciente realiza diferentes movimientos hasta que los complete en caso de no poder completar el mismo el paciente realizará el movimiento has-ta donde no pueda aplicar más fuerza, en este inshas-tante el trahas-tante ayudara a complehas-tar el movimiento [21].
Ya que las actividades mencionadas anteriormente son de carácter repetitivo y mecánico, se pueden utilizar exoesqueletos para de esta manera ayudar al sistema nervioso durante el proceso de re-aprendizaje. también realizando movimientos visualmente guiados se puede realizar el análisis de varias áreas senso-riales y motoras del cerebro permitiendo al sistema exoesquelético cuantificar y manipular características del movimiento.
Transtornos de movimiento
Los trastornos de movimiento como la discinesia, son alteraciones presentadas por el cuerpo, pro-vocando movimientos involuntarios, aunque su tratamiento varía de persona a persona y no siempre la causa es la misma, en este aspecto se puede utilizar exoesqueletos durante la rehabilitación, los cuales proporcionarán información de los diferentes movimientos como; frecuencia con la cual se producen, sitio en el cual se genera la señal etc, dando al tratante la posibilidad de una rehabilitación más acertado.
De esta manera el exoesqueleto también puede ser usado en un entorno experimental el comportamien-to o reacción que tiene un número determinado de pacientes ante diferentes medicamencomportamien-tos suministrados o dosis de los mismos.
2.4.3.
Power Asist suit Kawassaki
La empresa Kawassaki ha venido desde años atrás desarrollando tecnologías para facilitar el transporte o carga de objetos pesados es así que en el año 1991 desarrollan un brazo robótico y en 1994 una pier-na robótica siendo su objetivo fipier-nal un traje que sea capaz de ayudar al usuario en el transporte de objetos.
El brazo robótico figura 2.16, estaba compuesto por actuadores neumáticos utilizando tubos de goma para rotar el codo y de un mango del mismo material para detectar el movimiento del brazo, luego de varias pruebas y basados en los mismos principios de funcionamiento en el año de 1994 desarrollaron la pierna[29].
2.4 Exoesqueletos
Figura 2.16:Brazo accionado de forma neumática Kawassaki[29]
En el año de 1994 la misma empresa desarrollo un traje de potencia compuesto por ambos brazos piernas y cintura basados en el mismo principio usado anteriormente mediante actuadores de goma, los brazos, cintura y las piernas estaban conectadas entre si y de la misma manera estaban enlazados al usuario, dándole el aspecto de traje cuyo esquema se muestra en la figura 2.17.
Figura 2.17: Esquema de traje Kawassaki[29]
En los diseños primarios el traje había estado sujeto a cables para su alimentación y mangueras para el suministro de aire, hasta que en el año 2002 realizaron una disminución considerable del gasto de energía y de los sistemas de suministro de aire logrando que estos sean portables, Los brazos, las piernas y la cintura tienen actuadores rotativos neumáticos, accionados directamente con bombas de aire micro suministrados por baterías portátiles de níquel, las fuerzas musculares se detectan con un nuevo sensor de dureza del músculo que utiliza una punta sensora montada en un dispositivo de película gruesa de polímero, el microordenador incorporado calcula el par necesario para mantener una posición de acuerdo con las ecuaciones derivadas de la mecánica del cuerpo; utilizando los ángulos de la articulación y el par necesario, se combina con las señales de salida para crear las órdenes de control.
En los años próximos iría evolucionando a tal punto que en el año 2005 la empresa contaba con un traje mucho mas robusto, de esta forma, a avanzado continuamente logrando en los últimos años, diseñar un exoesqueleto acorde a los objetivos planteados, quedando tal como se observa en la figura 2.18.
2.5 Efector Final
Figura 2.18: Exoesqueleto desarrollado por la empresa Kawassaki
2.5.
Efector Final
En las aplicaciones industriales para completar el trabajo de un robot, se debe utilizar dispositivos adicionales, los cuales se podría denominar como periféricos del robot, El termino para denominar al dispositivo que esta unido a la muñeca dentro de robótica es actuador final, esta herramienta esta di-señada especialmente para hacer que el robot de propósito general cumpla con una tarea en específico[22].
Los efectores finales pueden dividirse en dos grandes grupos: Herramienta
Gripper(Pinza)
2.5.1.
Herramienta
Las herramientas utilizadas como efectores finales, están diseñadas para cumplir con una tarea deter-minada en la cual deba aplicarse una operación sobre las piezas de trabajo algunas de estas herramientas y su función se indican en la tabla 2.2. En cada uno de estos casos la pieza trabaja unida a la muñeca para llevar a cabo el trabajo asignado.
Herramienta Función que desarrolla
Soldadura por punto Dos electrodos que se cierran sobre la pieza a soldar
Soplete soldadura de arco Aportan el flujo de electrodo el cual se funde
Cucharón para colada Se utiliza en trabajos de fundición
Atornillador Suelen incluir la alimentación de tornillos
Fresa-lija Para perfilar, eliminar rebabas, pulir, etc
Pistola de pintura Para pulverización de la pintura
Cañón láser Para corte de materiales, soldadura o inspección
Cañón de agua a presión Para corte de materiales
2.5 Efector Final
Algunos de los manipuladores se pueden apreciar en las imágenes de la figura 2.19.
Figura 2.19: Efectores finales utilizados frecuentemente
2.5.1.1. Criterios de selección de manipuladores
Existen varios criterios de selección para los manipuladores entre los cuales los más usados son:
Trabajo de la pieza al ser manejada.-En función del robot en el cual se utilizará la pieza se definen las características de la misma tales como:
• Dimensiones
• Masa
• Potencia
• Geometría de robot
ActuadoresLos actuadores pueden ser de diferentes características dependientes de las piezas con las que se va a trabajar pudiendo ser de tipo:
• Mecánico
• Al Vacío
• Magnético
MaterialesEn función del entorno y piezas en las cuales se va a trabajar se puede definir el material del efector final
2.5 Efector Final
• Fuerte, rígido, durable
• Esfuerzo continuo
• Costo y factibilidad en producción
• Coeficiente de fricción
• Entorno de trabajo
PosicionamientoEn aplicaciones industriales es importante que exista repetibilidad en la cadena de producción por lo cual el efector final se elige dependiendo de:
• Longitud del manipulador
• Longitud del robot y repetibilidad
• Tolerancias
De forma tradicional se puede decir según [23] que los criterios de selección de una herramienta son: 1. Un Peso bajo para permitir tener un manejo de carga más útil, aumento de las aceleraciones,
disminución en tiempo de ciclo.
2. Dimensiones mínimas dispuestas por el tamaño de la pieza de trabajo.
3. Rango más ancho de las partes de la pieza usando inserciones, y movimientos ajustables. 4. Rigidez para mantener la exactitud del robot y reducir vibraciones.
5. Fuerza máxima solicitada, seguridad y prevención de daño en los productos. 6. La fuente de poder debe estar prontamente disponible para el robot. 7. El mantenimiento debe ser fácil y rápido.
8. Formas de seguridad para que el material no se deje caer cuando falte la fuente de poder.
Mediante estos criterios de selección en nuestros efectores finales podemos adaptar nuestro mecanismo a las funciones que deseemos, es por tal motivo considerar estos criterios entre otros que se puedan presentar al momento de seleccionar el efector final con el cual se va a trabajar.
2.5.2.
Pinza Robótica
También conocidas como efector final en un brazo robótico; es un sistema cuya principal función es sujetar objetos para obtener un determinado efecto, es importante que las pinzas que se desarrollen puedan moverse en tres dimensiones a fin de que se imite la movilidad de una mano real.
Considerando los grados de libertad, una pieza robótica puede tener un máximo de seis grados de libertad, expresados en tres movimientos lineales en las tres dimensiones de los ejes x, y, z y tres
2.5 Efector Final
cuentan con más de 6 grados de libertad, a las cuales se les conoce como grados de libertad mecánica
o de libertad de movimientos[24], Según Bejcy1 una mano humana puede ejecutar movimientos con seis
grados de libertad tal como se muestra en la figura 2.20.
Figura 2.20: Grados de libertad en una mano humana
Los movimientos de empuje se describen como: 1. Vertical, arriba/abajo
2. Frontal, avance/retroceso 3. Lateral, izquierdo/derecho
De otra manera siguiendo la terminología de aviación según [25] se describen como:
1. α1 Cabeceo, inclinación
2. α2 Balanceo, torsión
3. α3 Guiñada, giro
Es importante tener en cuenta que los dedos de la pinza no son considerados como un grado de liber-tad debido a que su movimiento no interviene en la trayectoria de la pinza.
Los sistemas de pinzado pueden ser de diferentes formas dependiendo del elemento u objeto que se desee sostener o con el cual se vaya a laborar; un ejemplo de esto son las diferentes pinzas industriales que se elaboran para un determinado uso, tal es el caso de la figura 2.21, en el cual se ha colocado dos pinzas estándar sobre un placa basculante en la cual un cilindro neumático es el que se encarga del movimiento, el cambio de pinza se hace de forma rápida y se amortigua en el final del recorrido. Este tipo de soluciones suele ser utilizada en equipos de verificación.
2.6 Pinza robótica como prótesis
Figura 2.21: Doble pinza basculante[24]
2.6.
Pinza robótica como prótesis
Se ha llevado a cabo diferentes estudios y diseños de prótesis mecánicas como [26] [27] para sustituir dedos o la mano de un ser humano, tomando en consideración que en los mismos no se considera el peso de la misma ya que se considera que parte de la mano o en su defecto el resto del miembro superior(brazo) se encuentra completo.
Basados en el principio de reconstrucción total de la mano se ha desarrollado prótesis como las que se
muestran en la figura 2.22, la figura (a) ha sido desarrollada por ottobock1, la cual puede sujetar objetos
de diferente tamaño ya sean frágiles o robustos, esto se debe a que está combinada con prótesis de brazo con control mioeléctrico.
Figura 2.22: Protesis de manos completas
Su característica especial reside en que las manos pueden abrirse para reaccionar rápidamente en tiem-po real, de forma similar a como lo hace una mano natural. Esto le brinda estiem-pontaneidad y la capacidad
2.6 Pinza robótica como prótesis
de usar su mano protésica de forma casi natural.
Característicamente las prótesis mioeléctricas desarrolladas por ottobock reaccionan normalmente a las respectivas señales musculares del usuario. Las manos SensorHand Speed y VariPlus Speed de la misma empresa disponen de hasta seis programas de control que permiten adaptar la prótesis de mano a las necesidades particulares del usuario, dependiendo de si el usuario puede controlar una o dos señales musculares. Su capacidad de control permite ajustar la fuerza y la velocidad de agarre [28].
En la Figura 2.22 (b), se muestra la mano desarrollada por la Universidad Manuela Beltrán, el proto-tipo cuenta con 5 grados de libertad que al igual que la mano de la figura 2.22 (a), se controla a través de señales mioeléctricas, las cuales se emiten al momento que el musculo del antebrazo se contrae, logrando de esta forma movimientos sencillos y básicos; para lograr el control y manipulación de la misma se necesita de un proceso de adaptación mediante terapias.
El desarrollo de estos prototipos esta orientado a la existencia del brazo y ante brazo en la persona, lo cual hace posible la lectura de señales mioeléctricas para el control de movimientos.
3
MATERIALES Y MÉTODOS
3.1.
Hardware
Para el diseño e implementación de la pinza tanto en la parte mecánica como electrónica se ha utilizado las siguientes herramientas:
Solid Works1
Meshmixer2
Labcenter Electronics(Proteus y Ares)3
El software Solid Works, se utilizó para crear un diseño en 3D de la pinza el cual posteriormente se lo tendría en físico mediante la impresión 3D, este procedimiento se lo lleva a cabo con el objetivo de variar el diseño he ir mejorando cuantas veces sea necesario hasta obtener un prototipo lo más óptimo posible, en tanto que el software de Labcenter, se utilizó para diseñar los circuitos eléctricos a los cuales irán conectados, tanto los sensores de fuerza como el servomotor.
3.2.
Fundamentos para el diseño de la pinza
El diseño de la pinza se basó en las formas y pesos de objetos que se quería ha llegar a sujetar con la misma, ya sea desde sujetar una cuchara, botella, vaso u otro tipo de objetos habituales.
3.2.1.
Puntos de contacto
Cada objeto tiene su forma pero el diseño de la pinza no se centra en un objeto en particular a diferencia de ello se basará en varias formas, pudiendo ser: planas, redondas, esféricas, cilíndricas, cúbicas, etc(vease figura 3.1 ). Es decir la pinza debe tener una forma general que englobe las diferentes presentaciones de los objetos a sujetar.
1http://www.solidworks.es 2http://www.meshmixer.com 3https://www.labcenter.com
3.2 Fundamentos para el diseño de la pinza
Figura 3.1: Formas de objetos posibles[32]
Otro de los factores a tener en cuenta es la fuerza que se va a aplicar, cantidad de sensores con los cuales se va a contar y región donde van a estar ubicados los mismos, teniendo en cuenta las diferentes formas que puede haber, en la figura 3.1, se puede apreciar los diferentes puntos de contacto que puede proporcionar una pinza teniendo en cuenta su diseño.
A efectos de puntos de presión considerados, se podría decir que la mejor forma de ajustar un objeto sería la forma <E>tanto para el objeto cubico, cilíndrico y esférico sin embargo este tipo de agarre sería perjudicial al momento de medir la fuerza que se aplique a un objeto, ya que si se toma de ejemplo un bolígrafo este quedaría perfectamente ajustado al contorno de las puntas de la pinza con la forma <E>de la figura 3.1, pero si se tomase un objeto de un diámetro mayor o el área de contacto sea mayor que el espacio entre los puntos de presión, se vería afectado el contacto del objeto con el sensor de fuerza, lo cual podría provocar error en las mediciones del sensor o inclusive la inexistencia de variación en las mediciones que se tome del mismo.
Es por tal motivo que la mejor opción que se podría tomar en torno a la forma de la punta de los dedos y lugares donde fuese a existir sensores de fuerza, es la <C>de la figura 3.1, la ventaja de esta forma es que al poseer una cara plana puede tomar cualquier tipo de objeto aplicando la misma presión en cada uno de ellos, sin importar su área de contacto debido a que este diseño se implementa con un único punto de contacto.
3.2.2.
Número de dedos a utilizar
1. Si se llegase a utilizar un único dedo (véase figura 3.2 A), sería necesario un objeto inmóvil al cual se fuese a trasmitir la fuerza aplicada, dando como resultado una limitación al tamaño y la forma de los objetos que la pinza pudiese sostener, a la fuerza que se pudiese aplicar sobre los mismos y las dimensiones que el objeto o dedo inmóvil debiese tener para asegurar la estabilidad del objeto.
3.2 Fundamentos para el diseño de la pinza
2. Con dos dedos (véase figura 3.2 B) se eliminarían los problemas planteados anteriormente sin em-bargo si el objeto es sometido a una fuerza externa el objeto pudiese desestabilizarse, resbalar y caer, si los dedos no están perfectamente alineados pudiesen producirse fracturas en la pinza al aplicar demasiada fuerza, también resultaría complicado sujetar objetos que no tuviesen una cara plana o que fuesen redondos, seria necesario un mayor control para poder sostener perfectamente el objeto con el cual se trabaja.
3. La posibilidad de trabajar con tres dedos (véase figura 3.2 C) parecería resolver los problemas de los apartados uno y dos sin embargo se sigue manteniendo el posible error mencionado en el apartado dos que si no se sitúa exactamente la pinza donde se encuentra el objeto este se deslizaría dificultando la sujeción del mismo otro inconveniente sería en el caso de sostener un objeto en forma cónica; tomando en consideración que se va a trabajar con un único motor y tres dedos nos da como resultado que uno de los dedos estaría fijo o dos de ellos se moverían uniformemente, no podría estar fijo ya se incidiría nuevamente e los problemas del apartado uno, y si se mueven uniformemente los sensores en la punta de los dedos presentarían variaciones en sus datos pudiesen ser estas diferentes en cada uno de ellos.
4. Como solución a los problemas mencionados en los diferentes apartados se optó por el uso de cuatro dedos (véase figura 3.2 D) basándose en las siguientes ventajas
Control El objeto al entrar en contacto con uno de los dedos y estando el mismo dentro del área de los demás en caso de ser arrastrado; se desplazará, hasta posicionarse en el centro entre los cuatro dedos y quedando presto para la manipulación del mismo.
AgarreEn caso de usar la misma figura cónica indicada en el apartado 3 los sensores que mi primero entren en contacto con el objeto serán quienes transfieran los datos para el control de la pinza tomando como consideración que estos sensores deben pertenecer uno al dedo derecho y uno al dedo izquierdo.
EstabilidadAl contar con una área de contacto mayor se asegurará que exista más estabilidad.
Datos de procesamientoAl existir mayor número de muestras se puede optimizar el control en base a las mismas y las regiones de las cuales fueron proporcionadas ayudarán a dar una idea del tipo de objeto que se quiere sujetar y el control preciso para su efecto.
3.2.3.
Fuerza de acuerdo a los puntos de presión
La fuerza que se va a aplicar sobre el objeto es de esencial importancia, ya que de no aplicarse de una manera controlada el objeto podría:
Caer
Sufrir daños en su estructura No se pueda tomar el objeto
3.2 Fundamentos para el diseño de la pinza
Dañar la estructura de la pinza
A manera de demostración sobre la fuerza que se puede aplicar a cada objeto se analizará la figura 3.2, y la superficie de contacto que cada dedo tuviese sobre el objeto. Ya que en el apartado anterior se determino que existiría un solo punto de contacto por cada dedo y el número de dedos sería igual a cuatro, en esta imagen se una perspectiva de como cada punto de contacto influiría sobre el objeto dependiendo de su forma y del número de dedos que apliquen fuerza sobre la misma.
Figura 3.2:Puntos de aplicación de fuerza
La superficie de presión que cada dedo va a aplicar sobre el objeto viene determinado por la ecuación 3.1 tomada de [32], donde como fuerza máxima se aplicará un Newton y suponiendo que el punto de contacto del dedo es cuadrado y su lado mide 22 mm:
p = Superficie de presión
FK = Fuerza aplicada
a = Ancho del dedo b = Alto del dedo
p= FK
a∗b (3.1)
p= 20,66 (3.2)
Esta ecuación es únicamente en el caso de que el dedo entre en contacto con toda la superficie del objeto en caso de que solo sea un punto la superficie de presión viene determinada por la ecuación 3.3 donde:
3.2 Fundamentos para el diseño de la pinza
m = Masa del objeto
Er= Coeficiente de elasticidad
r = radio del Objeto
p=m∗ 3
r
FK∗Er2
r2 (3.3)
En caso de que la superficie de contacto sea una línea la ecuación para determinar la superficie de presión esta determinada por 3.4.
L = longitud de contacto
p= 0,418∗
r
2∗FK∗Er
L∗d (3.4)
Al momento que se realiza el contacto entre la pinza con el material también va a existir una deforma-ción o aplanamiento en la superficie de la pinza la cual puede ser determinada por la ecuadeforma-ción 3.5 tanto para objetos esféricos o cilindros.
σ= Total de aplanamiento
E = Módulo de Young
r = radio de curvatura de la esfera
σ= 1,23∗ 3
r
F2
K
E2∗r (3.5)
En caso de que los módulos de Young sean diferentes se determina E con la ecuación 3.6
E= 2∗E1∗E2
E1+E2
(3.6) De la misma forma si existe curvatura entre la pinza y el objeto se determina el radio de curvatura a través de la ecuación 3.7 1 r = 1 r1 + 1 r2 (3.7) De esta manera se puede determinar la superficie de presión en diferentes objetos y de acuerdo a como estos sean sujetados por la pinza; de tal forma que si aplicamos una determinada fuerza al motor se pueda asimilar la fuerza trasmitida al objeto a través de la superficie de presión.
Ya que no todos los objetos se los puede tomar con tan solo la punta de los dedos se ha decidido agregar un sensor más por cada dedo en el centro del mismo, logrando de esta forma facilitar el agarre de objetos de mayor tamaño como: botellas, vasos, o cualquier otro objeto con diámetros parecidos o mayores.
3.2 Fundamentos para el diseño de la pinza
3.2.4.
Desplazamiento para el agarre
Como desplazamiento para el agarre se entenderá a la forma en la cuál se va a abrir y cerrar la pinza tomando en cuenta las aportaciones en física hechas por [33] y los siguientes aspectos:
Área a ocupar Máximo de apertura Desgaste Mecánico Fuerza máxima Objetos a sujetar
Teniendo en consideración que se va a trabajar con un único servomotor el desplazamiento tiene que ser capaz de completar sus movimientos con el mismo, en este sentido se analizarán tanto el desplazamiento angular y desplazamiento rectilíneo, ventajas y desventajas de ocupar cada uno de estos desplazamientos.
3.2.4.1. Área a ocupar
El área a ocupar por parte del dispositivo debe ser proporcional al resto del brazo, para evitar sobre-esfuerzos por parte de los motores que pertenecen a las articulaciones del brazo, antebrazo y muñeca.
Desplazamiento AngularEn el desplazamiento angular; el área a ocupar por parte del dispositivo será la necesaria para ubicar el servomotor o el valor correspondiente a la suma de los diámetros de los piñones que se utilice.
Desplazamiento rectilíneoEn este tipo de desplazamiento el área depende de la apertura máxima que se desee tener de la pinza en caso de usar un desplazamiento por tornillo, si el desplazamiento se hiciese a través de una circunferencia sujeta al piñón del motor el área sería la correspondiente al desplazamiento lateral producido al girar el motor.
3.2.4.2. Máximo de Apertura
La apertura máxima que se pretende lograr en la pinza es la necesaria para sostener por ejemplo una botella de dos litros de capacidad o para sostener un vaso de agua.
Desplazamiento AngularLa apertura máxima podría estar determinada por las dimensiones de los dedos al punto máximo donde aún sea posible el agarre o por topes mecánicos o digitales con los cuales cuente la pinza.
Desplazamiento Rectilíneo La máxima apertura en este desplazamiento está determinada por el ancho de la pinza.
3.2 Fundamentos para el diseño de la pinza
3.2.4.3. Desgaste Mecánico
El desgaste mecánico que se pueda producir depende de la cantidad de veces que se abra y cierre la pinza ya que es una pinza de asistencia se asume que el desgaste va a ser el mismo tanto para un desplazamiento angular como para un desplazamiento rectilíneo sin embargo la diferencia radica en el número de componentes que sufran este desgaste, pudiendo ser en el primer caso de los ejes de giro y de los piñones de giro que estuviesen adheridos a los dedos para producir el movimiento de los mismos, en tanto que en el desplazamiento rectilíneo será las guías por las cuales se desplaza el eje produciéndose un desgaste similar también de este.
3.2.4.4. Fuerza Máxima
La fuerza máxima que puede proporcionar la pinza, estará determinada por el sitio en el cual se aplique la fuerza o también podría ser determinada por el torque máximo que pudiese proporcionar el motor.
Desplazamiento Angular Para este desplazamiento la fuerza es transmitida de forma radial, de modo que la resistencia que aplique el objeto sobre la pinza deforme la pinza de acuerdo a la elasticidad de la misma (véase figura 3.3).
Desplazamiento Rectilíneo El desplazamiento rectilíneo al aplicar fuerza para efectuar el cierre de la pinza deforma más el material de la pinza que en un desplazamiento angular, esto se debe a la transmisión de fuerzas entre el punto que se aplica la misma y el punto de aplicación de la pinza tal como se muestra en la figura 3.3
